Pimeän aineen metsästys on pidemmällä kuin uskotkaan | Digitaalitrendit (2024)

Fysiikan ja luultavasti koko tieteen suurin yksittäinen kysymys on näennäisesti yksinkertainen: mistä maailmankaikkeus on tehty? Vastaus tähän näyttää ilmeiseltä vain, kunnes opit, että kaikki, mitä näemme ympärillämme – jokainen esine, jokainen pölyhiukkanen, jokainen hiukkanen – muodostaa vain 5 % kaikesta olemassa olevasta. Tämä tavallinen aine on selvästi vähemmistössä, ja muusta maailmankaikkeudesta 27 % on pimeää ainetta ja 68 % pimeää energiaa.

”Pimeä aine on ennen kaikkea ainetta. Sitä on kaikkialla ja se vaanii pimeydessä", kosmologi Alex Hall Edinburghin yliopistosta kertoi Digital Trendsille. "Se on tämä hyvin perustavanlaatuinen mystinen asia, jota ei vain ymmärretä."

Tiedämme, että tämän pimeän maailmankaikkeuden täytyy olla olemassa galaksien liikkeiden takia, mutta emme näe sitä emmekä voi koskea siihen. Saatat ajatella, että se tekisi pimeän aineen tutkimisesta lähes mahdotonta, mutta itse asiassa olemme lähempänä tämän piilotetun maailman ymmärtämistä kuin koskaan ennen.

Universumin rakenteen alla

Pimeä aine ei vain leiju ympäriinsä täyttäen tyhjää tilaa. Tärkeää on, että sitä löytyy kokkareista ja rakenteista, jotka ovat samanlaisia ​​kuin tavallinen aine. Se muodostaa rakenteen, jolla tavallinen aine hohtaa, ja sen uskotaan olevan vastuussa galaksien ja koko maailmankaikkeuden rakenteista.

"Tiedämme, että galakseja muodostuu rakennustelineeseen, jonka pimeä aine tuottaa", tähtitieteilijä ja varhainen universumin tutkija Steve Wilkins Sussexin yliopistosta selitti. "Se on olennainen osa universumiamme selittää, mitä näemme."

"Meillä ei ole vankkaa teoreettista käsitystä siitä, mitä pimeän aineen pitäisi olla."

Tämä johtuu pimeän aineen painovoimavaikutuksista, joten pimeän aineen möykky houkuttelee enemmän pimeää ainetta - ja se vetää myös tavallista ainetta. Koska tähdet vaativat tiheitä kaasupilviä muodostuakseen, niillä on taipumus muodostua alueille, joilla on paljon pimeää ainetta.

Joten pimeä aine todella ohjaa tähtien ja siten galaksien muodostumista sekä koko maailmankaikkeuden historian ajan että nyt muodostuvien uusien galaksien osalta. "Pimeän aineen läsnäolo todella muokkaa nykypäivän galakseja", Wilkins sanoi.

Kartan piirtäminen tuntemattomasta

Niin tärkeä kuin pimeä aine onkin, aiheen tutkiminen on haastavaa, koska se ei ole vuorovaikutuksessa aineen tai valon kanssa niin kuin muut hiukkaset.

"Emme oikein tiedä, mitä etsimme", Hall sanoi. "On siis vaikea suunnitella täydellistä kokeilua tämän tekemiseksi, koska meillä ei ole vankkaa teoreettista otetta siitä, mitä pimeän aineen pitäisi olla."

Vaikka emme ehkä pysty havaitsemaan suoraan pimeää ainetta, voimme nähdä sen sijainnin sen gravitaatiovaikutusten vuoksi. Joten yksi tärkeimmistä menetelmistä sen tutkimiseksi tällä hetkellä on sen sijainnin kartoitus, jonka tavoitteena on nähdä, kuinka pimeä aine jakautuu koko maailmankaikkeudessa.

Se on Euroopan avaruusjärjestön tavoiteäskettäin lanseerattuEuclid-tehtävä, jonka parissa Hall ja Wilkins molemmat työskentelevät. Avaruusteleskooppi rakennettu erittäinkorkea tarkkuustaso, se on tällä hetkellä matkalla L2-kiertoradalle auringon ympäri, josta se pystyy tarkkailemaan kaukaisia ​​galakseja ilman, että sen tarvitsee käsitellä auringon häikäisyä tai Maan ilmakehän vääristymiä. Tavoitteena on luoda 3D-kartta pimeän aineen jakautumisesta universumissa.

Euclid käyttää kahta päämenetelmää pimeän aineen paikantamiseen: gravitaatiolinssi ja galaksiklusterointi. Gravitaatiolinssi eli heikko linssi on sama menetelmä, jota käyttävät kaukoputket, kuten James Webb tai Hubble.tutkia erittäin kaukana olevia kohteita. Se perustuu siihen tosiasiaan, että tarpeeksi massiivinen esine itse asiassa taivuttaa aika-avaruutta, taivuttaa sen takaa tulevaa valoa ja toimii kuin suurennuslasi.

Mutta vaikka Webb tai Hubble käyttävät tätä tehostetta tarkastellakseen taivutettua valoa, joka tulee hyvin kaukaisista taustagalakseista, tapana tutkia kohteita, jotka ovat liian kaukana havaittaviksi muutoin, Euclid käyttää sitä eri tavalla. Nähdessään, kuinka paljon avaruus-aikaa vääristää etualan esine, kuten galaksi, voimme päätellä, kuinka paljon pimeää ainetta on läsnä etualan galaksissa.

Näkymättömän päättäminen

Ongelmana on, että vaikka universumissa on paljon pimeää ainetta, "sen vaikutukset normaaliin aineeseen ovat melko hienovaraisia", Hall sanoi.

Gravitaatiolinssien vaikutukset ovat siis hyvin pieniä, ja galaksin muoto muuttuu noin 1 %. Tämän vaikutuksen mittaaminen mielekkäällä tavalla vaatii sekä suuren määrän galakseja kuvaamista että erittäin tarkkojen kuvien hankkimista. Siksi Euclid suorittaa erittäin laajan taivaantutkimuksen ja miksi sen on oltava avaruudessa vääristymien minimoimiseksi.

"Missä on paljon pimeää ainetta, siellä on taipumus saada enemmän galakseja."

Toinen menetelmä, jota Euclid käyttää pimeän aineen tutkimiseen, galaksiklusterit, on vähemmän suora pimeän aineen mittaus, mutta voimakkaampi vaikutus. Kartoittamalla galaksien sijainnit kolmessa ulottuvuudessa voit päätellä, missä pimeä aine tulee karkeasti sanottuna sijaitsemaan. Tämä johtuu siitä, että galaksien säännöllinen aine jäljittää pimeän aineen sijainnin, joten "jos pimeää ainetta on paljon, on taipumus saada lisää galakseja", Hall selitti.

Kun Eukleideen tutkimus on valmis ja tiedot on analysoitu, noin kymmenen tai kahdentoista vuoden kuluttua meillä pitäisi olla kartta maailmankaikkeuden pimeästä aineesta ja pystyä näkemään, kuinka tämä jakautuminen on muuttunut ajan myötä.

Yksi askel kerrallaan

Pimeän aineen kartta voi olla siistiä, mutta kuinka se auttaa ymmärtämään, mitä pimeä aine todella on? Tutkimuksen seuraavaa vaihetta varten tarvitsemme supertietokoneita.

Pääasiallinen tapa, jolla tähtitieteilijät, jotka tekevät havaintoja, ja teoreetikot, jotka keksivät mahdollisia selityksiä pimeästä aineesta, työskentelevät yhdessä, on mallien käyttö. Tutkijat voivat käyttää laskentatehoa universumin simulaatioiden suorittamiseen ja nähdäkseen, miltä se voisi näyttää, jos erilaiset pimeän aineen teoriat olisivat oikeita.

Miltä universumi näyttää, jos pimeä aine on raskasta tai kevyttä? Entä jos pimeä aine on kuumaa, lämmintä tai viileää? Tehokkaat supertietokoneet voivat laskea, kuinka nämä eri tekijät muuttaisivat pimeän aineen jakautumista universumissa, ja sitten voimme verrata näitä simulaatioita maailmankaikkeuden havaintoihin sellaisena kuin me sen todella näemme.

Mikään tähän mennessä keksimistämme malleista ei ole ollut täydellinen, mutta nyt keräämämme tiedot antavat meille mahdollisuuden sulkea pois tai sulkea pois kokonaisia ​​teorioita siitä, mitä pimeä aine voisi olla.

Vaikeiden hiukkasten löytäminen

Toinen suuri ja aktiivinen pimeän aineen tutkimuksen väylä tällä hetkellä etsii hiukkasia, joista se voisi koostua. Useimmat tutkijat ajattelevat, että pimeä aine on todennäköisesti jonkinlainen hiukkanen, vaikka emme tiedä, mikä se hiukkanen voisi olla.

Hiukkasfysiikan laitteet, kuten Large Hadron Collider (LHC), pystyvät murskaamaan hiukkasia yhteen ja luomaan lyhytikäisiä eksoottisia hiukkasia, joista mikä tahansa voisi olla ehdokas pimeälle aineelle.

Vaikka nämä kokeet eivät ole vielä löytäneet ehdokashiukkasta pimeälle aineelle, ne ovat sulkeneet pois hiukkasluokkia. Ja LHC:tä johtavan CERNin tutkijat ovat erityisen kiinnostuneita supersymmetriaksi kutsutusta lähestymistavasta, joka on jatke hiukkasten standardimallille, jossa jokaisella standardihiukkasella on eri massainen kumppani. Jos nämä hiukkaset löydetään, ne voisivat auttaa luomaan suurenmoisen yhtenäisen fysiikan teorian ja selittämään pimeää ainetta.

Lopuksi toinen tapa yrittää ymmärtää pimeää ainetta on tarkastella sen vuorovaikutusta. Pimeä aine ei ole vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa, mutta joidenkin tutkijoiden mielestä se voisi olla vuorovaikutuksessa itsensä kanssa, joten saattaa olla mahdollista havaita jonkinlainen tämän itsevuorovaikutuksen synnyttämä säteily. "He eivät ole löytäneet mitään, mutta heidän tilastollinen tarkkuutensa ja heidän ymmärryksensä näistä kokeista ja rajoista, joita he voivat asettaa näille asioille, paranee koko ajan", Hall sanoi.

Tiedon rajojen rikkominen

Niin pelottava kuin syvästi salaperäisen ilmiön syrjäytyminen onkin, tutkijoiden on lähestyttävä sitä parhaalla mahdollisella tavalla käytettävissään olevilla työkaluilla – ja tehdä se nöyryydellä ja yhteistyöllä.

"Tämä on suuri ongelma fysiikassa, ja siihen on puututtava pienin askelin", Hall sanoi.

Niin ilahduttavaa kuin olisikin löytää pimeän aineen hiukkanen huomenna, mutta todellisuudessa nykyinen pimeän aineen tutkimus ei ole yhtä kuin maata ravisteleva eureka-hetki ja verrattavissa enemmän lian harjaamiseen pois arkeologisen kaivauksen artefaktin paljastamiseksi. Tutkijaryhmät pyrkivät eliminoimaan yhden idean kerrallaan ja sulkemaan pois vääriä teorioita päästäkseen hitaasti lähemmäksi totuutta.

Me ihmiset haluamme tietää enemmän luonnosta, maailmankaikkeudesta ja ympäröivästä maailmasta."

"Näin tiede edistyy", Hall sanoi. "Hylkäät teorioita ja lopulta rajoitat jotain, jonka uskot olevan totuudenmukainen kuvaus luonnosta."

Viimeisen vuosikymmenen aikana sekä tekniset parannukset, kuten nopeammat laskentaprosessorit ja uudet teleskoopit, että teoreettinen kehitys ovat ajaneet pimeän aineen tutkijat pidemmälle kuin koskaan ennen, ja tutkijat ovat selvittäneet valtavan mysteerin.

Niin vaikea kuin pimeän aineen ongelma onkin, se on osa sitä, mikä tekee siitä niin jännittävän tutkijoille. "Uskon, että me ihmiset haluamme tietää enemmän luonnosta, maailmankaikkeudesta ja ympäröivästä maailmasta", Hall sanoi. "Sen ymmärtäminen rikastuttaa meidän kaikkien elämää."

Toimittajien suositukset

• NASAn kartta näyttää, missä voit nähdä auringonpimennyksen Yhdysvalloissa.
• Tutkijat keksivät uuden menetelmän pimeän aineen "näkemiseen".
• Hubblen mukaan pimeä aine saattaa olla jopa oudompaa kuin luulimme
• Tutkijat löytävät tavan "nähdä" pimeä aine